Linux kernel 专题

Linux kernel 介绍

D-Bus

D-Bus 最初由 freedesktop.org 为 Linux 而开发的 进程之间通信IPC 和 远程控制RPC，用一个统一的协议取代当时的 进程通信。

D-Bus 也被设计成允许系统级进程（例如打印机、硬件驱动程序服务）和普通进程之间的通信。
D-Bus 采用二进制消息传递，所以非常快、开销小，特别适合同一台主机通信

kworker

kworker（Linux Kernel Worker）是内核 3.x 引入的工作线程占位符进程，它实际上执行内核的大部分工作，如中断、计时器、I/O等，CPU 中 system时间 大部分由此产生。在系统中，一般会出现多个 kworker 进程，kworker 进程有时会占用大量的 io 或 cpu，格式：

kworker/%u:%d%s

说明：

u(unbound) 表示没有绑定特定的CPU，如 kworker/u256:2-events_power_efficient

进程

0 进程是 Scheduler 1 进程是 init/systemd（user thread的父进程） 2 进程是 [kthreadd]（kernel thread的父进程）

$ ps -eaf
UID          PID    PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root           1       0  0 Jun17 ?        00:00:18 /sbin/init splash
root           2       0  0 Jun17 ?        00:00:00 [kthreadd]
...
$ ls -lhart /sbin/init
lrwxrwxrwx 1 root root 20 Jan 10 12:56 /sbin/init -> /lib/systemd/systemd

init 进程是 Linux 运行的第一个进程，是其它所有进程的父进程，主要作用：初始化系统和等待清理子进程（孤儿进程）

kernel 文件

vmlinux：一个非压缩的，静态链接的，可执行的，且不能 bootable 的 Linux kernel 文件。是用来生成 vmlinuz 的中间步骤。路径：/sys/kernel/btf/vmlinux
vmlinuz：一个压缩的，能 bootable 的 Linux kernel 文件。vmlinuz 是 Linux kernel 文件的历史名字，它实际上就是 zImage 或 bzImage

$ file /boot/vmlinuz-5.13.0-27-generic
/boot/vmlinuz-5.13.0-27-generic: Linux kernel x86 boot executable bzImage, version 5.13.0-27-generic (buildd@lgw01-amd64-045) #29~20.04.1-Ubuntu SMP Fri Jan 14 00:32:30 UTC 2022, RO-rootFS, swap_dev 0x9, Normal VGAs

zImage：仅适用于 640k 内存的 Linux kernel 文件
bzImage：Big zImage，适用于更大内存的 Linux kernel 文件。实际的内核启动文件

Kernel 启动过程

BIOS -> 引导扇区 boot.img -> diskboot.img -> 建立分段分页 -> 选择OS：kernel.img -> 启动内核

设备号

$ ls -lt /dev/
total 0                       # major minor
crw-rw-rw-  1 root       tty       5,   2 Jan 27 23:45 ptmx
brw-rw----  1 root       disk      7,  14 Jan 27 23:09 loop14
crw-rw-rw-  1 root       tty       5,   0 Jan 27 22:53 tty
crw--w----  1 root       tty       5,   1 Jan 27 22:37 console
crw--w----  1 xiexianbin tty       4,   2 Jan 27 22:37 tty2
crw-rw----+ 1 root       kvm      10, 232 Jan 27 20:59 kvm
...

设备号的组成：

major : 设备所使用的驱动，可以在 /proc/devices 中查看到，如下：
minor : 具体的设备

$ cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  5 /dev/tty
...

Block devices:
  7 loop
  8 sd
...

CPU 的作用

实际上，在 Linux 中，CPU 在任何时刻都在做以下三件事中的一件:

在用户空间中，在进程中执行用户代码
在内核空间中，在进程上下文中，代表一个特定的进程执行
在内核空间中，在中断上下文中，不与进程关联，处理一个中断

信号量

kernel 中信号量（struct semaphore）对临界区代码访问是原子的，用于解决不同进程对通信资源访问的同步问题
信号量涉及进程调度，会存在比较大的开销
原子变量（struct atomic_t）适用于针对 int 变量进行同步的场景

端口

ip_local_port_range：Linux 临时端口范围，用于定义网络连接可用作其源（本地）端口的最小和最大端口的限制，同时适用于TCP和UDP连接

$ cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
32768	60999

临时修改：

sudo sysctl -w net.ipv4.ip_local_port_range="1024 64000"

永久性修改：

在文件 /etc/sysctl.conf 添加如下内容：

net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535

ip_local_reserved_ports: 预留端口避免被其他程序占用

锁

悲观锁

总是假设最坏的情况，每次访问数据的时候都认为别的程序会修改，因此访问数据前先加锁。程序只有拿到锁时才能访问数据，否则一直处于等待状态。

适用场景：并发冲突概率高的场景，如传统关系型数据库的各种锁：表锁、行锁、读锁、写锁等。

缺点：

开销大
加锁、解锁需要CPU时间
并发性底

乐观锁

适用场景：并发量比较大的业务场景

缺点：

实现复杂，需要版本号控制机制或CAS算法

eBPF

eBPF 是内核的一个可编程虚拟机，广泛应用于网络报文的过滤、重定向、性能统计等，应用场景广泛。

特点：

灵活、易扩展
安全
内核互动（定制逻辑）
高性能